基于UG 的放線架實體建模及運動仿真

王曉霞

(天津工業職業學院，天津300400)

0 引言

拔絲機是金屬制品生產預加工設備，它把金屬制品的線材進行拉拔處理，使其圓度、直徑、表面光潔度、內部金相結構和矯直度都達到要求。 放線架是拔絲生產線中最前端的設備。 放線架按照動力傳動方式的不同可以分為主動放線架和被動放線架。主動放線架又被稱為動力放線架，隨著鋼絲線纜行業的產品多樣化、 生產自動化等高的技術層次發展，動力放線架作為一種有技術含量的設備，在整個生產線過程中發揮了重要的作用。 本文所設計的鼠籠式放線架屬于主動放線架。 動力放線架在在引取速度加快時， 放線速度也跟著引取速度快速加速；在引取速度減速時，放線速度也跟著引取速度減慢；當穩定運行在某個速度時，放線架要運行穩定；當出現松線和斷線的時候，要求放線盤可以進行自動反轉。 這些都對放線架的結構設計和制造提出了較高的要求。 本文針對的是鼠籠式動力放線架的實體建模，并進行了運動仿真，為后續的優化設計和制造奠定了基礎。

1 放線架結構與工作原理

1.1 放線架結構

鼠籠式動力放線架主要由機座、 立軸部件、落子和阻尼裝置四大部分組成。 圖1 為鼠籠式動力放線架簡圖。 其中機座是整個放線架的底架，所有部件安裝在機座之上。機座材質采用45#鋼，按照需要的設計尺寸焊接而成。 立軸部件支撐整個線圈，并傳遞動力，它包括了立軸、側板、上板及油缸支板等零部件。 落子直接與線圈接觸，根據實際線圈直徑大小焊接而成，為防止落子在轉動過程中對線材的表面破壞和磨損，鼠籠式動力放線架的落子外形采用圓周焊接， 而落子構架均采用直徑相同的鋼管，運用折彎技術制作成型。 阻尼裝置在放線減速和停止放線時，提供運動的阻力，主要由阻尼連扳、摩擦片、銷軸等組成。

1.2 放線架工作原理

放線架根據使用的環境和用途的不用，分為有站立式、躺臥式等多種形式，本文所設計的鼠籠式放線架屬于站立式放線架。 其工作原理為：鼠籠式動力放線架工作時，其主軸部件和落子在動力的作用下，首先共同處于水平位置，此時外界機械裝置將線圈安裝在落子上并固定好，之后主軸部件和落子在動力的作用下共同處于工作狀態，放線電動機通過三角皮帶把動力傳遞給立軸， 再經過立軸，把動力傳輸到放線架落子上， 實現對線纜的放線，放線電機的轉速控制著線纜的前進速度。 收線速度控制著線纜在收線處的速度， 收放線之間協調統一、形成放線與收線之間的速度差， 形成放線張力，對線纜產生拉力作用。 在配重塊的作用下，實現放線電機轉速與線纜之間的精確配合，動態調節張力大小，從而保持張力恒定，提高產品的成品率，保持生產穩定性。

圖1 鼠籠式動力放線架簡圖

2 放線架實體建模

UG 軟件是一款交互式CAD/CAM 系統，它具備了輔助設計、輔助分析和輔助制造的功能。 運用輔助設計也就是建模功能，可以進行三維造型，繪制出工程圖紙。 運用輔助分析功能，可以檢查零部件間的裝配是否有問題，建模是否正確。 輔助制造功能主要應用于打樣出模，數控加工。

對放線架進行實體建模， 可以在實際加工制造放線架前，了解實體的全部幾何信息，清楚放線架內部結構形狀，為結構優化做好準備。在對鼠籠式動力放線架實體建模之前， 首先對放線架整體裝配圖進行分析，研究機座、立軸部件、落子和阻尼裝置之間的相互位置關系、結構特征，之后對各個組成部分的零部件圖進行分析，研究各零件圖的尺寸關系，細節特征，以阻尼裝置為例介紹實體建模過程。

首先分析阻尼裝置的裝配圖與零件圖。 阻尼裝置由阻尼連板、摩擦片、銷軸、螺母M14、M12，六角螺絲M16x50、M12x85， 壓縮彈簧組成。 其中螺母M14、M12，六角螺絲M16x50、M12x85 屬于標準件，利用UG 軟件的標準件庫，快速創建模型，避免花費大量的時間在簡單的重復建模工作上，節約時間成本。 在UG 軟件中，調用標準件的具體步驟如下：

(1)在UG 軟件中，新建一模型。

(2)在[應用模塊]中選擇[裝配]， 打開裝配模式。

(3)在左側圖標中，選中[重用庫]，也就是標準件庫，在GB Standard Parts 中，選中需要的標準件。

(4)根據零件圖上的尺寸要求，修改標準件的參數，設置定位并檢驗，即完成了標準件的選用。 建立標準件時注意，坐標系一般設置在標準件的對稱中心上，通過主參數來約束次要參數，使得特征數盡量的少。 壓縮彈簧則直接點擊圓柱壓縮彈簧命令，在彈出的對話框中輸入相應的參數，如旋向，端部結構，中間直徑、自由高度、有效圈數等，完成彈簧的造型。

阻尼裝置圖中的主要部件， 如阻尼連扳、 摩擦片、銷軸等建模的基本思路是將零件圖進行分解，運用UG 的建模功能，繪制草圖、創建特征，完成實體造型。以摩擦片為例，分三步完成建模。首先打開UG 軟件，新建一個空白的模型文件，選中基準坐標系中的“XY 平面”，直接進入草圖，繪制零件圖外圓基本形狀，退出草圖，選擇拉伸命令，完成28 mm 的拉伸；進入草圖做圓直徑為20 和35 同心圓，退出草圖，選擇拉伸命令，完成28 mm 的拉伸；進入草圖做直徑13的圓，反向拉伸，完成φ13 孔的建模；最后進入草圖，繪制內測的兩個同心半圓， 退出草圖， 選擇拉伸命令，完成摩擦片左側的實體造型。 整個摩擦片是對稱結構，通過UG 軟件的鏡像功能，對摩擦片左側的實體造型進行鏡像，最終完成摩擦片的整體造型。 同樣方法完成機座、落子、立軸及其他零件的實體建模。

圖2 阻尼裝置裝配圖

圖3 摩擦片實體造型

3 放線架虛擬裝配

虛擬裝配是產品在生產制造前的重要一步，利用虛擬裝配，可以驗證放線架設計、相對位置和裝配操作是否正確，通過可視化顯示裝配過程，可以方便及時發現設計或裝配中的問題，及時對模型進行修改。 創建裝配圖一般分為自下向上和自上向下兩種方法。 根據放線架的結構特征，采用自下向上的裝配方法，即先進行單個零部件的創建，然后再對零部件擺放的位置進行合理的設計，這種裝配方式直接精準，簡單、快速。 對于鼠籠式動力放線架整體裝配，采用先部分后整體的裝配方式，即先將機座、立軸部件、落子和阻尼裝置四大部件分別進行裝配，然后對放線架整體按照自下而上的方式進行裝配。 以阻尼裝置的虛擬裝配為例。

打開UG 軟件，點擊文件菜單欄下的新建按鈕，選中第二個裝配模塊，生成新的裝配文件，系統彈出添加組件的對話框，從最近訪問的部件中，選中摩擦片為第一個添加的部件，將摩擦片放置在指定的原點位置，在裝配約束的對話框中，選擇固定，完成摩擦片的裝配定位。 添加阻尼板為第二個部件，在裝配約束中選中面接觸，且阻尼板上的孔φ20 孔與摩擦片上的φ20 孔軸線保持一致，完成阻尼板的裝配。 添加2 個銷軸，與摩擦片孔對齊，面接觸，添加2 個螺母，完成銷軸、螺母、阻尼板和摩擦片的裝配。 同樣的方法完成彈簧，六角螺栓和摩擦片的裝配。至此，以摩擦片為基體，在UG 裝配模塊下，通過添加組件，裝配約束將阻尼裝置的各個零件裝配在一起，如圖4 所示。

圖4 阻尼裝置

同樣的方法，立軸部件的虛擬裝配，以立軸為基體，將立軸、側板、油缸支架、軸承座等零件依次進行約束裝配。 放線架的虛擬裝配，以機座為基體，依次進行立軸部件、落子部件和阻尼裝置的裝配。

4 放線架運動仿真

在放線架真正生產前， 用運動仿真來預測它的運動特性。UG 軟件的運動仿真可以實現裝配體的仿真運動，對裝配體進行運動學或動力學運動分析，驗證該運動機構設計的合理性，其分析結果直觀易懂。在進行放線架的運動仿真之前， 干涉檢查是不可或缺少的一部分。通過干涉檢查，對放線架的裝配進行干涉檢驗，以保證仿真運動的順利進行。 在UG 裝配模塊下，點擊“分析”菜單對裝配體進行簡單干涉檢查，選擇需要分析的裝配的所有對象，對裝配件的全部進行間隙分析， 在干涉部件導航器上沒有出現干涉現象，可以進行放線架的運動仿真。

UG 運動仿真一般包括是運動分析類型的設定、運動控制參數的設定、運動仿真過程的的控制、運動仿真過程的跟蹤記錄、 動畫文件的輸出和運動結果數據的輸出。 運動仿真中的形式運動包括了關節運動仿真和動畫運動仿真兩種， 在本次放線架運動仿真中，采用的是動畫運動仿真的形式。 在UG“開始”菜單下，進入“運動仿真”模塊，對放線架進行運動仿真。在彈出的“運動導航器”中選中放線架，并單擊鼠標右鍵“新建仿真”，建立運動場景，設置運動場景參數。 在設置完環境之后，創建連桿“旋轉副”，選中除了機座、側板和油缸支架之外的所有零部件，指定旋轉的原點為落子地盤的中心，創建解算方案并求解，求解完成后點擊動畫即可觀看放線架放線狀態運動仿真。同樣的方法選中除機座以外的所有零部件，創建旋轉副，完成放線架上線狀態的運動仿真。最后通過“運動仿真”模塊中的解算方案和求解，實現對放線架運動仿真的動畫控制。經過運動仿真，檢查到放線架各部分的運動狀況良好，設計滿足實際需求，將運動分析結果以圖表的形式輸出，保存數據。

5 結語

在整條生產線中，放線架處于工藝流程的起始端位置，合理的設計放線架，將使放線架更好地與生產線主控制部分配合，最大程度地發揮放線架的作用。 本文運用UG 軟件對鼠籠式動力放線架進行了各零部件的實體建模， 在對其進行虛擬裝配之后，對放線架的運動進行了運動仿真，檢查了各部件相互之間的運動干涉情況，對整個放線架的優化設計和制造提供了參考，奠定了基礎。